지하구조물의 굴착을 위한 발파 충격과 굴착후 응력의 재분포에 의해 발생하는 암반 손상대(Excavation Damaged Zone, EDZ)의 발생은 구조물의 장기적 안정성 경제성 안전성에 영향을 미친다. 본 연구에서는 조절발파기법으로 굴착된 한국원자력연구원 내 지하처분연구시설에서 굴착 후 발생하는 손상대 규모 및 특성을 측정, 분석하였으며 이를 모델링에 적용하여 손상대가 터널의 역학적, 수리적 거동에 미치는 영향을 평가하고자 하였다. KURT에서의 손상대 현장시험을 통해 1.5m의 손상구간을 확인할 수 있었으며 Goodman jack 시험과 실험실 암석실험을 통해 암반의 물성은 발파전 물성에 비해 대체적으로 50% 정도 변화함을 알 수 있었다. 이러한 암반 손상대 크기와 물성변화를 모델링에 적용하여 수리-역학적 연동해석을 실시하였다. 손상받지 않은 구간에 비해 손상대의 변형계수는 50%감소하며 수리전도도는 1 order증가하는 것으로 가정하였다. 해석 결과 손싱대를 고려하는 경우 변위는 증가하고 응력은 감소하며 지하수 유입량은 약 20% 정도 증가하는 것으로 나타났다.
지하구조물의 굴착을 위한 발파 충격과 굴착후 응력의 재분포에 의해 발생하는 암반 손상대(Excavation Damaged Zone, EDZ)의 발생은 구조물의 장기적 안정성 경제성 안전성에 영향을 미친다. 본 연구에서는 조절발파기법으로 굴착된 한국원자력연구원 내 지하처분연구시설에서 굴착 후 발생하는 손상대 규모 및 특성을 측정, 분석하였으며 이를 모델링에 적용하여 손상대가 터널의 역학적, 수리적 거동에 미치는 영향을 평가하고자 하였다. KURT에서의 손상대 현장시험을 통해 1.5m의 손상구간을 확인할 수 있었으며 Goodman jack 시험과 실험실 암석실험을 통해 암반의 물성은 발파전 물성에 비해 대체적으로 50% 정도 변화함을 알 수 있었다. 이러한 암반 손상대 크기와 물성변화를 모델링에 적용하여 수리-역학적 연동해석을 실시하였다. 손상받지 않은 구간에 비해 손상대의 변형계수는 50%감소하며 수리전도도는 1 order증가하는 것으로 가정하였다. 해석 결과 손싱대를 고려하는 경우 변위는 증가하고 응력은 감소하며 지하수 유입량은 약 20% 정도 증가하는 것으로 나타났다.
The development of an excavation damaged zone, EDZ, due to the blasting impact and stress redistribution after excavation, can influence on the long tenn stability, economy, and safety of the underground excavation. In this study, the size and characteristics of an EDZ around an underground research...
The development of an excavation damaged zone, EDZ, due to the blasting impact and stress redistribution after excavation, can influence on the long tenn stability, economy, and safety of the underground excavation. In this study, the size and characteristics of an EDZ around an underground research tunnel, which was excavated by controlled blasting, in KAERI were investigated. The results were implemented into the modelling for evaluating the influence of an EDZ on hydro-mechanical behavior of the tunnel. From in situ tests at KURT, it was possible to determine that the size of EDZ was about l.5rn. Goodman jack tests and laboratory tests showed that the rock properties in the EDZ were changed about 50% compared to the rock properties before blasting. The size and property change in the EDZ were implemented to a hydro-mechanical coupling analysis. In the modeling, rock strengths and elastic modulus were assumed to be decreased 50% and. the hydraulic conductivity was increased 1 order. From the analysis, it was possible to see that the displacement was increased while the stress was decreased because of an EDZ. When an EDZ was considered in the model, the tunnel inflow was increased about 20% compared to the case without an EDZ.
The development of an excavation damaged zone, EDZ, due to the blasting impact and stress redistribution after excavation, can influence on the long tenn stability, economy, and safety of the underground excavation. In this study, the size and characteristics of an EDZ around an underground research tunnel, which was excavated by controlled blasting, in KAERI were investigated. The results were implemented into the modelling for evaluating the influence of an EDZ on hydro-mechanical behavior of the tunnel. From in situ tests at KURT, it was possible to determine that the size of EDZ was about l.5rn. Goodman jack tests and laboratory tests showed that the rock properties in the EDZ were changed about 50% compared to the rock properties before blasting. The size and property change in the EDZ were implemented to a hydro-mechanical coupling analysis. In the modeling, rock strengths and elastic modulus were assumed to be decreased 50% and. the hydraulic conductivity was increased 1 order. From the analysis, it was possible to see that the displacement was increased while the stress was decreased because of an EDZ. When an EDZ was considered in the model, the tunnel inflow was increased about 20% compared to the case without an EDZ.
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문제 정의
본 연구에서는 조절발파기법으로 굴착된 한국원자력연구원 내 지하처분연구시설(KAERI Underground Research Tunnel, KURT)에서 굴착 후 발생하는 손상대 규모 및 특성을 측정하였으며 이를 모델링에 적용하여 손상대가 터널의 역학적, 수리적 거동에 미치는 영향을 평가하고자 하였다.
현장시험의 적합한 설계 및 해석을 위해서는 시설 주변에 존재하는 손상구간에 대한 평가 및 이해가 요구된다. 본 연구에서는 KURT 건설을 위한 발파에 의해 발생하는 암반 손상 대의 규모를 평가하기 위해 현장시험과 암석코어 조사를' 실시하였다. 회차구간에서의 Goodman jack 시험 결과, 벽면거리 1.
가설 설정
표 2는 모델링에 사용된 물성값을, 표 3은 손상 대에서의 역학적 물성을 준다. 손상구간에서의 수리전도도는 부지 조사 단계에서 실시된 터널 방향으로 천공된 경사 시추공에서 얻어진 수리전도도에 비해 1order 높게 가정하였다(표 4).
지표면의 지형을 고려하는 모델링에서 수평 응력이 수직 응력보다 높으며 그 비율이 심도에 따라 달라지는 초기응력 측정 결과를 모델링에서 구현하기 위해 지표면 형상이 단계적으로 침식되는 과정을 거쳐 이루어지는 것으로 가정하였다(Kwon et al. 2006). 이를 위한 모델 격자망의 폭은 100m, 길이는 250m, 높이는 300m 이며 총 격자수는 27, 250개 이다.
일반적으로 터널의 역학적 안정성 평가에서는 터널 크기의 3~4배 정도의 모델 크기면 충분하지만 본 모델에서는 수리적 거동을 함께 보며 지표면 지형에 따른 영향을 평가하기 위해 보다 큰 모델을 사용하였다. 지표면을 제외한 각 경계면에서는 변위와 지하수 흐름이 차단되는 것으로 가정하였다. 모델링에서는 터널은 10m 간격으로 단계적으로 굴착되며 굴착 직후 손상대가 발생하는 것으로 가정하였다.
지표면을 제외한 각 경계면에서는 변위와 지하수 흐름이 차단되는 것으로 가정하였다. 모델링에서는 터널은 10m 간격으로 단계적으로 굴착되며 굴착 직후 손상대가 발생하는 것으로 가정하였다. 현장 측정을 통해 얻어진 손상대 크기를 고려하여 터널 주변에 1~2m 두께의 손상 대가 발생 하도록 하였다.
고려하여 선정하였다. 손상대에서의 암반변형계수는 초기 암반변형계수의 50%로 가정하였으며 손상구간의 점착력와 인장강도는 손상 전 초기값의 80% 를 사용하였다. 수리해석을 위해 지하수위는 터널 입구부에서 위쪽 약 20m에 수평하게 높이는 것으로 가정하였다.
손상대에서의 암반변형계수는 초기 암반변형계수의 50%로 가정하였으며 손상구간의 점착력와 인장강도는 손상 전 초기값의 80% 를 사용하였다. 수리해석을 위해 지하수위는 터널 입구부에서 위쪽 약 20m에 수평하게 높이는 것으로 가정하였다. 손상구간의 수리전도도는 수압시험을 통해 10m 구간별로 얻어진 수리전도도에 비해 1 order 높은 것으로 가정하였다(표 4).
수리해석을 위해 지하수위는 터널 입구부에서 위쪽 약 20m에 수평하게 높이는 것으로 가정하였다. 손상구간의 수리전도도는 수압시험을 통해 10m 구간별로 얻어진 수리전도도에 비해 1 order 높은 것으로 가정하였다(표 4).
연동해석을 실시하였다. 손상대의 크기와 물성은 현장 및 실험실에서 측정된 값을 사용하였으며 수리전도도의 경우, 손상구간에서 1 order 높은 값을 가지는 것으로 가정하였다. 터널 굴착 후 변 위는 손상 대를 고려하는 경우, 약 2배 높게 나타났으며 터널로의 유입량은 약 20% 정도 상승하는 것으로 나타났다.
제안 방법
2007). 현장시험의 경우, 굴착 전후의 물성 변화를 파악하기 위해 회차구간의 굴착 후 진입터널의 굴착을 중단한 상태에서 회차구간에서 진입터널 방향으로 시추공을 천공하고 진입터널의 굴착 전 암반 물성을 측정하였다. 진입터널의 굴착이 진행된 후 천공된 시추공에서 굴착 영향을 받은 이후의 암반 물성을 측정하여 이를 굴착 전 물성과 비교하였다.
현장시험의 경우, 굴착 전후의 물성 변화를 파악하기 위해 회차구간의 굴착 후 진입터널의 굴착을 중단한 상태에서 회차구간에서 진입터널 방향으로 시추공을 천공하고 진입터널의 굴착 전 암반 물성을 측정하였다. 진입터널의 굴착이 진행된 후 천공된 시추공에서 굴착 영향을 받은 이후의 암반 물성을 측정하여 이를 굴착 전 물성과 비교하였다. 암석코어를 이용한 실험실 실험과 현장시험을 통한 손상대 연구 결과는 권상기와 조원진(2008)에 의해 보고된 바 있다.
시험이 2006년 추가로 실시되었다(그림 3). 손상대의 규모 평가에 활용할 수 있도록 시험 간격을 30cm로 짧게 하였으며 수직 수평 방향의 변형계수 차이를 보기 위해 한 지점에서 수직, 수평 방향으로 가압하면서 암반변형계수를 측정하였다. 그림 4는 시추공을 따른 수직, 수평 변형계수의 변화를 보여준다.
KURT에서의 손상대 연구결과를 바탕으로 손상대가 터널의 수리-역학적 거동에 영향을 미칠 수 있는 다양한 인자들을 고려한 3차원 해석이 실시되었다. FLAC3D를 이용한 모델링에서는 그림 6과 같은 모델 격자망이 사용되었으며 180m의 진입터널 중 초기 40m의 라이닝 설치 구간을 제외한 구간에 대해 굴착 진행에 따른 수리-역학적 거동에 대한 모델링이 수행되었다.
실시되었다. FLAC3D를 이용한 모델링에서는 그림 6과 같은 모델 격자망이 사용되었으며 180m의 진입터널 중 초기 40m의 라이닝 설치 구간을 제외한 구간에 대해 굴착 진행에 따른 수리-역학적 거동에 대한 모델링이 수행되었다. 실제 지형도를 이용한 지표면 형상이 모델에 구현되었으며 부지조사 단계에서 얻어진 터널을 따른 암반 물성의 변화가 반영되었다.
KURT에 작용하는 초기 응력은 터널 입구에 천공된 160m 길이의 수직공에서 수압파쇄시험을 통해 측정되었다. 수평응력 수직응력비 K는 심도 Z에 따라 변하며 다음 식과 같이 표현된다.
a). 일반적으로 터널의 역학적 안정성 평가에서는 터널 크기의 3~4배 정도의 모델 크기면 충분하지만 본 모델에서는 수리적 거동을 함께 보며 지표면 지형에 따른 영향을 평가하기 위해 보다 큰 모델을 사용하였다. 지표면을 제외한 각 경계면에서는 변위와 지하수 흐름이 차단되는 것으로 가정하였다.
모델링에서는 터널은 10m 간격으로 단계적으로 굴착되며 굴착 직후 손상대가 발생하는 것으로 가정하였다. 현장 측정을 통해 얻어진 손상대 크기를 고려하여 터널 주변에 1~2m 두께의 손상 대가 발생 하도록 하였다. 지발당 장약량이 많은 터널 바닥부에서는 터널 벽면이나 천정부에 비해 약간 큰 손상 대를 모사하였다.
손상대의 발생이 지하구조물의 수리적, 역학적 거동에 대한 영향을 파악하기 위해 KURT를 대상으로 수리-역학적 연동해석을 실시하였다. 손상대의 크기와 물성은 현장 및 실험실에서 측정된 값을 사용하였으며 수리전도도의 경우, 손상구간에서 1 order 높은 값을 가지는 것으로 가정하였다.
대상 데이터
실제 지형도를 이용한 지표면 형상이 모델에 구현되었으며 부지조사 단계에서 얻어진 터널을 따른 암반 물성의 변화가 반영되었다. 터널의 크기는 6mx 6m이며 경사는 실제 터널의 경사인 -10%를 적용하였다. 표 2는 모델링에 사용된 물성값을, 표 3은 손상 대에서의 역학적 물성을 준다.
2006). 이를 위한 모델 격자망의 폭은 100m, 길이는 250m, 높이는 300m 이며 총 격자수는 27, 250개 이다. 최종 모델 격자망의 높이는 지표면 지형에 따라 80m에서 160m 다르게 나타난다(그림 6.
이론/모형
암석 코어의 상태를 정량적으로 표현하기 위해 RQD를 사용하였다. 그림 5는 진입터널과 연구 모듈에 위치하고 있는 25개 시추공에서의 심도에 따른 RQD 평균값의 변화를 보여준다.
수리전도도가 낮은 구간에서 상대적으로 높은 공극수압과 낮은 유속을 나타낸다. 터널 굴착에 따른 터널로의 지하수 유입량을 계산하기 위해 FLAC3D의 내장 프로그래밍 기법인 FISH를 사용한 터널 벽면에서의 유량 변화를 계산하였다. 그림 10은 손상대를 고려한 경우와 고려하지 않은 경우, 터널 굴착 진행에 따른 터널로의 지하수 유입량 변화를 보여준다.
성능/효과
KURT에서 유입되는 지하수는 260m의 터널에서 유입되는 양인데 비해 본모델에서는 150m 구간만을 고려하였다. 또한 일반적으로 손상구간에서 수리전도도는 원암에 비해 2 order 이상의 수리전도도 증가가 예상되지만 본 모델에서는 1 order 증가를 고려하였기 때문에 실측값에 비해 낮은 유입량을 보인 것으로 판단된다. 향후, 손상 대의 구간에 따른 규모 변화와 실측된 수리전도도의 변화를 고려한 해석을 통해 보다 정확한 계산이 가능할 것으로 보인다.
5m까지 발파영향을 받는 것으로 나타났다. KURT에서 천공된 25개 시추공에서 회수된 암석 코어에 대한 관찰 결과, 발파의 영향을 받은구간(0~2m)에서의 암석 코어의 RQD 값은 발파영향을 받지 않은 구간(2m~)에 비해 16% 낮게 나타났다. 터널 벽면의 경우 1.
손상대의 크기와 물성은 현장 및 실험실에서 측정된 값을 사용하였으며 수리전도도의 경우, 손상구간에서 1 order 높은 값을 가지는 것으로 가정하였다. 터널 굴착 후 변 위는 손상 대를 고려하는 경우, 약 2배 높게 나타났으며 터널로의 유입량은 약 20% 정도 상승하는 것으로 나타났다. 터널 진행에 따라 지하수 유입량도 증가하며 손상 대가 고려되지 않은 경우, 약 5.
본 연구를 통해 밝혀진 바와 같이 발파에 의해 굴착되는 터널 주변에는 상당한 크기의 손상대가 발생하며 이러한 손상대의 발생을 고려하는 경우 수리적, 역학적 거동에는 상당한 차이가 발생함 알 수 있다. 따라서 지하 구조물의 설계나 안정성 평가 시, 손상 대의 존재를 고려한 해석이 필요하며 이를 위한 손상대 구간의 정확한 규모 평가 및 손상대에서의 암반 물성 평가에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
후속연구
구조물의 성능 변화가 예상된다. 손상대의 발생으로 인한 지하구조물의 거동 특성 변화를 이해하는 것은 구조물의 설계 단계에서 결정되는 굴착 기법, 보강 작업, 운영 방식에 대한 최적화를 가능하게 할 것이다. 이를 위해서는 심E, 암종, 발파기법, 터널 형상 등에 따른 손상대의 발생 특성 및 손상대 구간의 물성 변화를 파악하여야 한다.
또한 일반적으로 손상구간에서 수리전도도는 원암에 비해 2 order 이상의 수리전도도 증가가 예상되지만 본 모델에서는 1 order 증가를 고려하였기 때문에 실측값에 비해 낮은 유입량을 보인 것으로 판단된다. 향후, 손상 대의 구간에 따른 규모 변화와 실측된 수리전도도의 변화를 고려한 해석을 통해 보다 정확한 계산이 가능할 것으로 보인다.
따라서 지하 구조물의 설계나 안정성 평가 시, 손상 대의 존재를 고려한 해석이 필요하며 이를 위한 손상대 구간의 정확한 규모 평가 및 손상대에서의 암반 물성 평가에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
지하암반에서의 손상대에 대한 연구는 방사성폐기물 처분장과 관련된 시스템 설계와 안전성 평가뿐 아니라 현재 국내외에서 지하공간에 건설되고 있는 지하 유류비축기지, 양수발전소 수로터널, 도로터널, 지하철, 철도터널, 및 유해 폐기물 저장소 등의 설계 및 건설에도 활용될 수 있을 것이다.
참고문헌 (14)
권상기, 조원진, 김득수, 2005, 한국원자력연구소내 지하처분연구시설 건설에 따른 발파영향, 화약？발파 (대한화약발파공학회), Vol.23, No.4, pp.1-18
최병희, 정주환, 신중호, 조철현, 2008, 탄성파 탐사법 을 활용한 광산갱도 주벽의 발파손상대 평가, 대한화 약발파공학회 춘계학술발표회 논문집, 한국과학기술 회관, pp.21-31
Tsang, C.F., Bernier, F., and Davies, C., 2005, Geohydromechnical Processes in the Excavation Damaged Zone in Crystalline Rock, Rock Salt, and Indurated and Plastic Clays-in the Context of Radioactive Waste Disposal, Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr., Vol.42, pp.109-125
Kwon, S., Cho, W.J., and Han, P.S., 2006, Concept development of an underground research tunnel for validating the Korean reference HLW disposal system, Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 21, pp.203-217
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